Máy tính mô phỏng và dự báo thời tiết như thế nào?

Chia sẻ kiến thức 19/08/2022

Bạn có xem dự báo thời tiết mỗi lần đi ra ngoài không? Các nhà khí tượng học sử dụng máy tính như thế nào để dự đoán trời mưa hay nắng?

 

Dự báo thời tiết đóng một vai trò thiết yếu trong các hoạt động giải trí và kinh tế trong nhiều thế kỷ. Nó quyết định bạn có thể đi dã ngoại hay tàu có thể ra khơi an toàn hay không.

Nhưng dự báo thời tiết không bắt đầu từ 40 năm trước với máy tính tiên tiến. Cách đây hàng trăm năm, con người đã sử dụng nhiều phương pháp thủ công và tính toán khác nhau để dự báo thời tiết, từ việc quan sát bầu trời để biết các dấu hiệu báo trước của một cơn bão đến việc xem lại các báo cáo thời tiết cũ.

Nhưng giờ đây, tất cả dự báo thời tiết đều được số hóa, điều này đặt ra câu hỏi: làm thế nào để máy tính dự đoán thời tiết?

Máy tính trước máy tính

Trước khi có các thiết bị liên lạc tốc độ cao như điện báo và điện thoại, gần như không thể có được dữ liệu thời tiết cập nhật cho các địa điểm khác. Dự báo thời tiết là thứ mà mọi người làm hàng ngày tùy thuộc vào những gì họ có thể nhìn thấy và cảm thấy. Ví dụ như màu của bầu trời, độ ẩm và áp suất không khí — mà bạn có thể cảm nhận được ở các khớp của mình. Nhưng chúng không thật chính xác, chứa đầy những mê tín dị đoan và không thể dự đoán xa hơn một hoặc hai ngày trong tương lai.

Vào cuối những năm 1800 và đầu những năm 1900, dự báo thời tiết đã trở thành một môn khoa học nghiêm túc hơn. Các mạng lưới dịch vụ thời tiết có thể liên lạc và trao đổi dữ liệu thời tiết từ khoảng cách xa.

Thời tiết ở bất kỳ đâu đều bị ảnh hưởng bởi điều kiện của các khu vực lân cận. Biết điều kiện thời tiết ở các thị trấn lân cận cho phép dự báo loại thời tiết mà chúng ta có thể gặp phải.

Trước khi có máy tính kỹ thuật số, các nhà khí tượng học sẽ vẽ thủ công dữ liệu thời tiết trên bản đồ. Sau đó, họ sẽ phân tích dữ liệu trong một khoảng thời gian dài, tìm kiếm các xu hướng và mô hình. Nhưng ngay cả trước khi có máy tính, các nhà khí tượng học đã có công cụ để thu thập dữ liệu khí quyển. Ví dụ, họ từng dùng khinh khí cầu để lấy mẫu từ tầng cao hơn trong khí quyển.

Sự ra đời của hiệu ứng bươm bướm

Thuật ngữ “hiệu ứng bươm bướm” lần đầu tiên được sinh ra vào những năm 1960 bởi nhà khí tượng học Edward Lorenz, mặc dù những người khác đã suy nghĩ về chủ đề này trước đó.

Lorenz đã sử dụng thuật ngữ này để mô tả mức độ nhạy cảm của các hệ thống thời tiết. Trong khi tính toán lại các dự báo thời tiết trước đó, Lorenz không phải là nhà khí tượng học duy nhất nhận thấy điều gì đó kỳ lạ. Ngay cả sự thay đổi nhỏ nhất trong các con số cũng dẫn đến một dự báo thời tiết hoàn toàn khác.

Sự thay đổi này nhỏ đến nỗi ông ví nó như đôi cánh rung rinh của một con bướm bắt đầu một cơn bão dữ dội ở bên kia thế giới.

Máy tính chỉ là một phần của phương trình

Compute có nghĩa là tính toán. “Computer” (máy tính) đã từng là một công việc trong đó những người am hiểu toán học sẽ ngồi xuống và giải hàng trăm bài toán mỗi ngày. Thay vào đó, máy tính hiện đại tự động hóa quy trình bằng máy kỹ thuật số.

Các mô hình dự báo thời tiết hiện đại sẽ tính toán các con số và đưa ra kết quả với độ chính xác cao. Nhưng ngay cả điều đó cũng không đủ để đánh bại thời tiết.

Các mô hình dự báo thời tiết hiện tại có thể dự đoán thời tiết trong năm ngày trong tương lai với độ chính xác 90%. Nếu thời gian xa hơn độ chính xác giảm xuống đáng kể. Nó đạt 80% cho các dự đoán trong bảy ngày và khoảng 50% xa hơn trong tương lai.

Cách máy tính dự báo thời tiết

Mô hình máy tính là một tập hợp các hướng dẫn mà máy tính tuân theo để tạo mô phỏng một đối tượng hoặc hiện tượng trong thế giới thực. Các mô hình dự báo thời tiết hiện đại là phần mềm phân tích dữ liệu thời tiết để dự báo thời tiết. Chúng hoạt động giống như cách máy tính dự đoán sự lên xuống theo chu kỳ của thị trường chứng khoán.

Để biết điều gì sẽ xảy ra trong tương lai, bạn cần biết điều gì đã xảy ra trước đây và điều gì đang xảy ra ngay bây giờ. Dự báo thời tiết không bắt đầu với máy tính mà với dữ liệu. Các nhà khí tượng học thu thập dữ liệu  đồng thời bằng nhiều loại công cụ trên toàn cầu.

Họ sử dụng cánh gạt gió để đo tốc độ gió, nhiệt kế đo nhiệt độ, phong vũ biểu đo áp suất và ẩm kế đo độ ẩm.

Tất cả dữ liệu này sau đó được nhập vào các mô hình máy tính khác nhau để phân tích và so sánh với dữ liệu và tính toán trước đó. Nhưng không có một mô hình duy nhất để dự đoán thời tiết. Các mô hình khác nhau tập trung vào các khu vực cụ thể của hệ thống thời tiết và hoạt động song song với các mô hình khác để tạo ra một bức tranh toàn vẹn. 

Mô hình khí hậu

Các mô hình khí hậu chịu trách nhiệm chính trong việc dự đoán những thay đổi trong khí hậu của trái đất hoặc của một khu vực. Khí hậu là điều kiện thời tiết trung bình nói chung và không phải là điều kiện thời tiết trong một hoặc hai ngày.

Mô hình Mesoscale

Mô hình máy tính Mesoscale phân tích các khu vực ở quy mô khoảng 20 km. Nó chỉ phân tích dữ liệu từ các khu vực tương đối gần và sử dụng nó để dự đoán thời tiết địa phương trong vài ngày tới.

Mô hình thống kê

Các mô hình thống kê tập trung nhiều hơn vào phân tích dữ liệu hơn là mô phỏng thời tiết. Chúng xem xét dữ liệu từ nhiều thập kỷ trước và dự đoán thời tiết. Nhiệt độ trung bình và điều kiện thời tiết ở cùng một nơi và vị trí cũng góp phần vào dự đoán.

Mô phỏng bầu khí quyển

Dữ liệu thu thập bằng cách sử dụng các công cụ khí tượng cùng với các mô hình dự báo thời tiết khác nhau được tạo thành một mô phỏng kỹ thuật số của bầu khí quyển trái đất. Thời gian được đẩy nhanh trong mô phỏng để tiết lộ điều kiện thời tiết gần đúng trong những ngày sắp tới trên phạm vi toàn cầu.

Nhưng việc mô phỏng toàn bộ bầu khí quyển của trái đất không hề đơn giản. Để có được những dự đoán thường xuyên và chính xác, các trung tâm khí tượng sử dụng siêu máy tính thay vì máy tính bình thường.

Các máy tính này có khả năng thực hiện hơn 14.000 nghìn tỷ phép tính mỗi giây. Sau đó, kết quả sẽ được một nhóm các nhà khí tượng học có kinh nghiệm xem xét để diễn giải và xác nhận với độ chính xác 90% – nhưng không bao giờ là 100%.

Mô phỏng sẽ phải phù hợp với động lực học của trái đất ngoài vật lý khí quyển. Các nhà khoa học sử dụng các phương trình vật lý để mô phỏng các quá trình khí quyển và cách các điều kiện thời tiết khác nhau tương tác. Mô phỏng nói chung cũng tính đến chuyển động quay của trái đất và cách nó đẩy các điều kiện thời tiết trên toàn cầu.

Tương lai của dự báo thời tiết

Dự báo thời tiết đã chuyển từ việc chỉ dự đoán thời tiết một vài ngày trong tương lai thành dự báo thời tiết theo tuần với độ chính xác cao trong khoảng 100 năm. Nhưng vẫn còn nhiều thứ có thể cải thiện.

Để dự báo tốt hơn, các nhà khí tượng học cần ba điều: hiểu biết sâu sắc hơn về bầu khí quyển của trái đất, dữ liệu khí quyển chính xác và thường xuyên hơn cũng như các máy tính mạnh mẽ có thể phân tích và quản lý nó kịp thời. Tất cả những điều này đều nằm trong tầm tay trong tương lai gần.

Vân Nguyễn

Dịch từ: https://www.makeuseof.com/how-do-computers-simulate-and-predict-the-weather/

Bình luận (
0
)

Bài liên quan

  • Tầng 0, tòa nhà FPT, 17 Duy Tân, Q. Cầu Giấy, Hà Nội
  • info@funix.edu.vn
  • 0782313602 (Zalo, Viber)        

yêu cầu gọi lại

error: Content is protected !!